掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法

摘要

本发明提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，包括：测量光纤、光纤旋转接头、连接光纤和布里渊时域反射分析仪；所述测量光纤的首端固定设置在掘进机刀盘法兰上，所述测量光纤的中部依次穿设在所述掘进机刀盘法兰的每个连接螺栓上，所述测量光纤的尾部呈U型设置在所述掘进机刀盘法兰的温度补偿孔内，所述测量光纤的末端通过所述光纤旋转接头连接所述连接光纤，所述连线光纤连通所述布里渊时域反射分析仪；本发明还提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法。本发明可以实时监测刀盘主驱动螺栓的应变、应力和受力情况，有利于判断连接螺栓紧固情况和受挤压情况，预防连接螺栓断裂和疲劳破坏。

权利要求

1.一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，其特征在于，包括：测量光纤、光纤旋转接头、连接光纤和布里渊时域反射分析仪；所述测量光纤的首端固定设置在掘进机刀盘法兰上，所述测量光纤的中部依次穿设在所述掘进机刀盘法兰的每个连接螺栓上，所述测量光纤的尾部呈U型设置在所述掘进机刀盘法兰的温度补偿孔内，所述测量光纤的末端通过所述光纤旋转接头连接所述连接光纤，所述连接光纤连通所述布里渊时域反射分析仪；所述连接螺栓的螺杆表面沿轴线方向开设有两条凹槽，两条所述凹槽相隔180°对称设置，两条所述凹槽贯通所述连接螺栓的顶部形成两个通孔，所述测量光纤由一侧的所述通孔和凹槽穿入固定，所述测量光纤由另一侧的所述凹槽和通孔穿出。

2.一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，应用于如权利要求1所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，其特征在于，包括：步骤一：获取预紧力及其初始应力，对刀盘主驱动螺栓施加预紧力，通过测量得到初始应力，并通过初始应力计算预紧力；

步骤二：获取连接螺栓周向温度分布，通过设置在温度补偿孔内的U型测量光纤段获取掘进机刀盘法兰的温度补偿量，并通过温度补偿量计算连接螺栓周向温度分布情况；

步骤三：监测连接螺栓受力情况，根据步骤二获取的温度补偿量获取测量光纤沿线的应变分布情况，根据应变分布情况计算每个连接螺栓受力情况；

步骤四：判断螺栓紧固状态，根据步骤三获取的每个连接螺栓的受力情况判断螺栓是否紧固；

步骤五：判断连接螺栓是否受到挤压，监测应力沿测量光纤分布曲线中的每根连接螺栓对应曲线段；若曲线段基本对称，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动不大，则连接螺栓未受到挤压；若曲线段失去对称性，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动较大，则连接螺栓受到挤压。

3.根据权利要求2所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，其特征在于，步骤一中初始应力为：

式中，ΔvB为布里渊频移变化量，Cvε为应力系数，ε0为初始应力；

利用初始应力计算预紧力：

式中，d1为螺栓小径，结合实际施加的预紧力进行校对。

4.根据权利要求2所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，其特征在于，步骤二中温度补偿量为：

Δt＝ΔvB＝CvTΔT

式中，Δt为温度补偿量，CvT为温度系数，ΔT为温度变化量。

5.根据权利要求4所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，其特征在于，步骤三中，利用布里渊时域反射仪获取光纤沿线的应变分布：ΔvB＝CvεΔε+CvTΔT＝CvεΔε+Δt式中，Δε为应力变化量；

第i个连接螺栓的平均应变εi：式中，xi为第i个连接螺栓上的光纤起始位置，xi+1为第i+1个连接螺栓上的光纤起始位置，L为连接螺栓孔的深度；

第i个连接螺栓所受拉力Fi：

Fi＝ESεi

式中，E为连接螺栓的弹性模量，S为连接螺栓的截面面积；

掌子面对刀盘的作用力传递到第i个连接螺栓范围内产生的压力Fi′：式中，Cb为连接螺栓的刚度，Cm为掘进机刀盘法兰的刚度；

掘进机刀盘法兰在第i个连接螺栓处所受的压力Fi″：

6.根据权利要求5所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，其特征在于，步骤四中，根据连接螺栓所受拉力Fi判断连接螺栓是否紧固；当Fi＝0时判断连接螺栓松弛，当Fi＞0时判断螺栓受力紧固。

说明书

掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法

技术领域

[0001] 本发明涉及掘进机设备监测技术领域，特别涉及一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法。

背景技术

[0002] 盾构法因其高效、环保、扰动小等等优点而被广泛应用于隧道施工建设，已逐渐成为一系列地下工程隧道开挖的首选工法。与之配套的掘进机是一种集开挖、支护、衬砌等多
种作业于一体的大型隧道施工机械，具有复杂的机械结构。掘进机通过推进旋转的刀盘与
掌子面相互作用来切割土体，从而达到掘进的目的。在这个过程中，由于掌子面各处地质情
况的不同会造成刀盘受力的不均匀，造成刀盘主驱动螺栓的变形，加剧疲劳破坏。而目前，
还没有关于掘进机刀盘主驱动螺栓状态监测的方法和装置。

[0003] 在关于螺栓状态监测的相关方法中，专利CN104089729B、CN107063648B、CN104964713A等等都将光纤光栅传感器应用于螺栓监测中。光纤光栅的优点在于简便、小
巧，适用于尺寸不大的螺栓监测。对于掘进机刀盘主驱动连接螺栓来说，可以选用尺寸略大
于光纤光栅传感器的分布式光纤传感器，以期获取连续、精确的数据。在这一方面，专利
CN106989685A、CN106855446B等等将分布式光纤传感器应用于管片和隧道截面变形的监测
之中。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法，其目的是为了解决刀盘连接螺栓的受力监测问题，同时为更全面了解刀盘运行状态和受力提供参
考。

[0005] 为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，包括：测量光纤、光纤旋转接头、连接光纤和布里渊时域反射分析仪；所述测量光
纤的首端固定设置在掘进机刀盘法兰上，所述测量光纤的中部依次穿设在所述掘进机刀盘
法兰的每个连接螺栓上，所述测量光纤的尾部呈U型设置在所述掘进机刀盘法兰的温度补
偿孔内，所述测量光纤的末端通过所述光纤旋转接头连接所述连接光纤，所述连线光纤连
通所述布里渊时域反射分析仪。

[0006] 其中，所述连接螺栓的螺杆表面沿轴线方向开设有两条凹槽，两条所述凹槽相隔180°对称设置，两条所述凹槽贯通所述连接螺栓的顶部形成两个通孔，所述测量光纤由一
侧的所述通孔和凹槽穿入固定，所述测量光纤由另一侧的所述凹槽和通孔穿出。

[0007] 本发明的实施例还提供了掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，应用于上述掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，包括：

[0008] 步骤一：获取预紧力及其初始应力，对刀盘主驱动螺栓施加预紧力，通过测量得到初始应力，并通过初始应力计算预紧力；

[0009] 步骤二：获取连接螺栓周向温度分布，通过设置在温度补偿孔内的U型测量光纤段获取掘进机刀盘法兰的温度补偿量，并通过温度补偿量计算连接螺栓周向温度分布情况；

[0010] 步骤三：监测连接螺栓受力情况，根据步骤二获取的温度补偿量获取测量光纤沿线的应变分布情况，根据应变分布情况计算每个连接螺栓受力情况；

[0011] 步骤四：判断螺栓紧固状态，根据步骤三获取的每个连接螺栓的受力情况判断螺栓是否紧固；

[0012] 步骤五：判断连接螺栓是否受到挤压，监测应力沿测量光纤分布曲线中的每根连接螺栓对应曲线段；若曲线段基本对称，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动不大，则连接
螺栓未受到挤压；若曲线段失去对称性，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动较大，则连接
螺栓受到挤压。

[0013] 其中，步骤一中初始应力为：

[0014]

[0015] 式中，ΔvB为布里渊频移变化量，Cvε为应力系数，ε0为初始应力；

[0016] 利用初始应力计算预紧力：

[0017]

[0018] 式中，d1为螺栓小径，结合实际施加的预紧力进行校对。

[0019] 其中，步骤二中温度补偿量为：

[0020] Δt＝ΔvB＝CvTΔT

[0021] 式中，Δt为温度补偿量，CvT为温度系数，ΔT为温度变化量。

[0022] 其中，步骤三中，利用布里渊时域反射仪获取光纤沿线的应变分布：

[0023] ΔvB＝CvεΔε+CvTΔT＝CvεΔε+Δt

[0024] 式中，Δε为应力变化量；

[0025] 第i个连接螺栓的平均应变εi：

[0026]

[0027] 式中，xi为第i个连接螺栓上的光纤起始位置，xi+1为第i+1个连接螺栓上的光纤起始位置，L为连接螺栓孔的深度；

[0028] 第i个连接螺栓所受拉力Fi：

[0029] Fi＝ESεi

[0030] 式中，E为连接螺栓的弹性模量，S为连接螺栓的截面面积；

[0031] 掌子面对刀盘的作用力传递到第i个连接螺栓范围内产生的压力Fi′：

[0032]

[0033] 式中，Cb为连接螺栓的刚度，Cm为掘进机刀盘法兰的刚度；

[0034] 掘进机刀盘法兰在第i个连接螺栓处所受的压力Fi″：

[0035]

[0036] 其中，步骤四中，根据连接螺栓所受拉力Fi判断连接螺栓是否紧固；当Fi＝0时判断连接螺栓松弛，当Fi＞0时判断螺栓受力紧固。

[0037] 本发明的上述方案有如下的有益效果：

[0038] 本发明所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法，可以实时监测刀盘主驱动螺栓的应变、应力和受力情况，有利于判断连接螺栓紧固情况和受挤压情况，
预防连接螺栓断裂和疲劳破坏。同时，计算压力Fi′可以间接反映刀盘受力情况，计算压力
Fi″可以反映刀盘法兰的受力分布，为更好地判别掘进机掘进状况提供数据参考。

附图说明

[0039] 图1为本发明的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置的测量光纤布置结构示意图；

[0040] 图2为本发明的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置的测量光纤与连接螺栓布置示意图；

[0041] 图3为本发明的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置的测量光纤在温度补偿孔内示意图；

[0042] 图4为本发明的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置的实时监测装置示意图。

[0043] 【附图标记说明】

[0044] 1‑测量光纤；2‑光纤旋转接头；3‑连接光纤；4‑布里渊时域反射分析仪；5‑掘进机刀盘法兰；6‑连接螺栓；7‑温度补偿孔；8‑螺栓孔；601‑凹槽；602‑通孔。

具体实施方式

[0045] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0046] 本发明针对现有的缺少全面监测掘进机刀盘主驱动螺栓状态的方式的问题，提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法。

[0047] 实施例1

[0048] 如图1、图3和图4所示，本发明的实施例提供了一种掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，包括：测量光纤1、光纤旋转接头2、连接光纤3和布里渊时域反射分析仪4；所述
测量光纤1的首端固定设置在掘进机刀盘法兰5上，所述测量光纤1的中部依次穿设在所述
掘进机刀盘法兰5的每个连接螺栓6上，所述测量光纤1的尾部呈U型设置在所述掘进机刀盘
法兰5的温度补偿孔7内，所述测量光纤1的末端通过所述光纤旋转接头2连接所述连接光纤
3，所述连线光纤3连通所述布里渊时域反射分析仪4。

[0049] 如图2所示，所述连接螺栓6的螺杆表面沿轴线方向开设有两条凹槽601，两条所述凹槽601相隔180°对称设置，两条所述凹槽601贯通所述连接螺栓的顶部形成两个通孔602，
所述测量光纤1由一侧的所述通孔602和凹槽601穿入固定，所述测量光纤1由另一侧的所述
凹槽601和通孔602穿出。

[0050] 本发明上述实施例所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置，如图2所示，在所述连接螺栓6的杆体表面沿轴线方向开出两个相隔180°的所述凹槽601，并使所述凹槽
601贯穿所述连接螺栓6的顶部两端。可以先使用钻床在所述连接螺栓6的顶部上打出两个
直径6mm的盲孔，再使用铣床沿螺栓轴线方向在表面开出宽度5mm，深度5mm的所述凹槽601，
使得所述凹槽601与盲孔相通，令所述连接螺栓6顶部形成两个所述通孔602。最后，将所述
凹槽601表面和连接螺栓6顶部打磨光滑平整。将所述测量光纤1从所述连接螺栓6的顶部其
中一个所述通孔602中穿入，沿所述连接螺栓6表面的的所述凹槽601布置，再绕过所述连接
螺栓6的螺杆底部沿另一侧的所述凹槽601布置，最后从所述连接螺栓6的顶部另一个所述
通孔602中穿出。调节所述测量光纤1位置，使所述测量光纤1不与所述连接螺栓6的底部接
触，同时拉直所述测量光纤1，使其紧贴所述凹槽601。利用胶水将所述测量光纤1与凹槽601
固定，并将所述测量光纤1与所述连接螺栓6顶部的所述通孔602固定。这个过程中要确保每
一段布置在所述连接螺栓6上的光纤长度合适。在将所述测量光纤1布置在下一个连接螺栓
6上时，要预留出一段距离，保证连接相邻两个所述连接螺栓6的所述测量光纤1段的长度大
于连接螺栓间距，使这一段测量光纤1保持松弛。

[0051] 如图1所示，将所述测量光纤1依次串连好所有连接螺栓6后，将连接螺栓6布置在掘进机刀盘法兰5的螺栓孔8中。本实施例中，将所述测量光纤1沿外圈螺栓孔8布置一圈后，
再连接到内圈螺栓孔8上，布置一圈。也可以根据需要，按区域将螺栓孔8分组，将所述测量
光纤1布置在一个区域的螺栓孔8后，再布置到下一个区域中。如图3所示，所述测量光纤1尾
部的一段光纤的一端固定在所述掘进机刀盘法兰5上，另一端穿过预留在所述掘进机刀盘
法兰5上的所述温度补偿孔7内，并摆成U形；使用胶水将U形光纤的两端固定在所述掘进机
刀盘法兰5上；调节光纤位置，使U形光纤能够紧贴温度补偿孔7的孔壁。

[0052] 如图4所示，布置完成的所述测量光纤1一端接入所述光纤旋转接头2中，所述光纤旋转接头2一端接入所述测量光纤1，另一端接入所述连接光纤3，所述连接光纤3接入所述
布里渊时域反射分析仪4中。

[0053] 实施例2

[0054] 本发明的实施例还提供了掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，应用于上述掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置；

[0055] 在实施掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法前，需要构建如实施例1所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置；

[0056] 本实施例提供的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测方法，包括：

[0057] 步骤一：获取预紧力及其初始应力，对刀盘主驱动螺栓施加预紧力，通过测量得到初始应力，并通过初始应力计算预紧力；

[0058] 其中，初始应力为：

[0059]

[0060] 式中，ΔvB为布里渊频移变化量，Cvε为应力系数，ε0为初始应力；

[0061] 利用初始应力计算预紧力：

[0062]

[0063] 式中，d1为螺栓小径，结合实际施加的预紧力进行校对。

[0064] 步骤二：获取连接螺栓周向温度分布，通过设置在温度补偿孔内的U型测量光纤段获取掘进机刀盘法兰的温度补偿量，并通过温度补偿量计算连接螺栓周向温度分布情况；

[0065] 其中，由于布置在温度补偿孔中的U形光纤段不受应力影响，该段的布里渊频移只受光纤沿线温度的影响，借此获取温度补偿量：

[0066] Δt＝ΔvB＝CvTΔT

[0067] 式中，Δt为温度补偿量，CvT为温度系数，ΔT为温度变化量。

[0068] 步骤三：监测连接螺栓受力情况，根据步骤二获取的温度补偿量获取测量光纤沿线的应变分布情况，根据应变分布情况计算每个连接螺栓受力情况；

[0069] 其中，结合温度补偿量，利用布里渊时域反射仪获取光纤沿线的应变分布：

[0070] ΔvB＝CvεΔε+CvTΔT＝CvεΔε+Δt

[0071] 式中，Δε为应力变化量；

[0072] 第i个连接螺栓的平均应变εi：

[0073]

[0074] 式中，xi为第i个连接螺栓上的光纤起始位置，xi+1为第i+1个连接螺栓上的光纤起始位置，L为连接螺栓孔的深度；

[0075] 由此可以计算处第i个连接螺栓所受拉力Fi：

[0076] Fi＝ESεi

[0077] 式中，E为连接螺栓的弹性模量，S为连接螺栓的截面面积；

[0078] 还可以计算出掌子面对刀盘的作用力传递到第i个连接螺栓范围内产生的压力Fi′：

[0079]

[0080] 式中，Cb为连接螺栓的刚度，Cm为掘进机刀盘法兰的刚度；

[0081] 掘进机刀盘法兰在第i个连接螺栓处所受的压力Fi″：

[0082]

[0083] 步骤四：判断螺栓紧固状态，根据步骤三获取的每个连接螺栓的受力情况判断螺栓是否紧固；

[0084] 在盾构掘进过程中，掌子面的不均匀受力和刀盘自身重量都会产生倾覆力矩，并施加到刀盘主驱动连接螺栓上。可能造成螺栓的松弛、断裂和疲劳破坏。

[0085] 其中，根据连接螺栓所受拉力Fi判断连接螺栓是否紧固；当Fi＝0时判断连接螺栓松弛，当Fi＞0时判断螺栓受力紧固；

[0086] 另外，为保证在掘进过程中，连接螺栓不会发生断裂，还应该满足以下公式：

[0087] KEεimax＜[σ]

[0088] 式中，K为安全系数，εimax为第i个连接螺栓上的最大应变量，[σ]为应许应力；

[0089] 同时，为保证连接螺栓的使用寿命，应满足以下公式：

[0090] (εmax‑εmin)E＜[σa]

[0091] 式中，εmax为光纤沿线最大应变量，εmin为光纤沿线最小应变量，[σa]为许用应力幅。

[0092] 步骤五：判断连接螺栓是否受到挤压，监测应力沿测量光纤分布曲线中的每根连接螺栓对应曲线段；若曲线段基本对称，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动不大，则连接
螺栓未受到挤压；若曲线段失去对称性，并且对应连接螺栓的两侧应变量波动较大，则连接
螺栓受到挤压。

[0093] 本发明所述的掘进机刀盘主驱动螺栓状态实时监测装置及检测方法，可以实时监测刀盘主驱动螺栓的应变、应力和受力情况，有利于判断连接螺栓紧固情况和受挤压情况，
预防连接螺栓断裂和疲劳破坏。同时，计算压力可以间接反映刀盘受力情况，计算压力可以
反映刀盘法兰的受力分布，为更好地判别掘进机掘进状况提供数据参考。

[0094] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也
应视为本发明的保护范围。